海島可再生能源發(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

張中華 ，夏增艷 ，劉靖飆 ，王海峰 ，黃 勇

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.中國船舶重工集團(tuán)公司711研究所，上海 201203）

海島可再生能源發(fā)電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

張中華1，夏增艷1，劉靖飆2，王海峰1，黃 勇1

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.中國船舶重工集團(tuán)公司711研究所，上海 201203）

首先介紹嵊山島的基本情況及島上的實(shí)際需求，然后詳細(xì)分析嵊山島可再生資源的構(gòu)成和特征，確定島上資源狀況適合采取多能互補(bǔ)的形式發(fā)電，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)集波浪能、太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能于一體的發(fā)電系統(tǒng)，用于島上供電、海水淡化和制冰的需要。

嵊山島；多能互補(bǔ)；可再生能源；發(fā)電系統(tǒng)；總體設(shè)計(jì)

在海島的沿岸及附近水域蘊(yùn)藏著較豐富的海洋能源，如潮汐、海流、波浪、溫差和鹽差能等。同時(shí)，大多數(shù)海島有豐富的風(fēng)能和太陽能資源。所以，同時(shí)開發(fā)與利用多種可再生能源，利用其不同的強(qiáng)度周期，形成彼此間的能量互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)均衡供電，從而改善海島能源供給狀況，優(yōu)化海島的能源結(jié)構(gòu)。

嵊山島位于浙江省舟山群島最北部，境內(nèi)氣候受西北太平洋、歐亞大陸的影響，形成了獨(dú)特的海島氣候—北亞熱帶南緣海洋性季風(fēng)氣候，具有冬夏季風(fēng)交替顯著、年溫適中、四季分明、溫變和緩、氣候資源豐富的特點(diǎn)。嵊山島上居民約1.1萬人，是典型的海島漁區(qū)。目前，島上主要通過海底電纜進(jìn)行供電，但海底電纜受臺(tái)風(fēng)影響較大，出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)時(shí)，島上會(huì)主動(dòng)切斷電力供給。此外，由于島上經(jīng)濟(jì)是以漁業(yè)捕撈、水產(chǎn)品加工為主，對(duì)淡水和冰的需求量較大。

1 可再生能源分析

1.1 波浪能

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，嵊山海域波功率值在0.5～8.8 kW/m變化，平均波功率值約為2.4 kW/m。每米迎波面波功率值大于1 kW的天數(shù)占總統(tǒng)計(jì)時(shí)間的90%以上，波功率值為2 kW/m的頻率分布在60%左右。由于波浪隨風(fēng)的變化而變化，所以波浪能能流密度具有明顯的季節(jié)變化，秋季較高，春季較低，冬、夏季相差不大[1-2]。

1.2 風(fēng)能

嵊山島區(qū)域的風(fēng)能資源十分豐富，反映在季風(fēng)上，春夏季風(fēng)速較小，冬季風(fēng)速最大，但夏季多臺(tái)風(fēng)。

嵊山有效風(fēng)時(shí)在5 000 h以上，有效風(fēng)時(shí)頻率如圖1所示，均在80%以上，有效風(fēng)能密度（圖2）在200 W（/m2·h）以上，為風(fēng)能豐富區(qū)。

圖1 有效風(fēng)時(shí)頻率

圖2 各月平均有效風(fēng)能密度

1.3 太陽能

該區(qū)域年總輻射量為4 126 MJ/m2，一年中冬季最小，夏季最大，春秋季介于冬夏之間。年日照時(shí)數(shù)為1 940.6 h，其中，7、8月份月均日照量是1 a中最多的，最少月份是1月和2月，四季分布特點(diǎn)是：夏季最多，冬季最少，秋季多于春季。

1.4 生物質(zhì)能

目前，嵊山島上常住居民超過1萬人，有各種企業(yè)超過250家。這些居民和企業(yè)在日常的生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生了大量的廢棄物。這些垃圾廢棄物的堆積必然會(huì)影響生態(tài)環(huán)境，將垃圾運(yùn)出海島的成本較高，而如果直接投放在海洋里，對(duì)海洋環(huán)境也將造成極大的危害。因此，如果利用其產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行發(fā)電，這樣既可以解決島上垃圾處理的問題，也可以變廢為寶，為島上提供動(dòng)力。同時(shí)，由于生物質(zhì)沼氣發(fā)電可以進(jìn)行人為控制，因此具有很好的發(fā)電系統(tǒng)調(diào)峰和儲(chǔ)能功能。

1.5 可再生能源資源特征分析

綜合分析，在季節(jié)變化時(shí)，波浪能秋季較高，春季較低，冬、夏季相差不大；風(fēng)能則是春夏季較小，冬季最大；而太陽能冬季最小，夏季最大，春秋季介于冬夏之間；此外生物質(zhì)能可以進(jìn)行人為的調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)輸出電量的穩(wěn)定性，起到儲(chǔ)能和調(diào)峰的作用。

可以看出，嵊山島的可再生能源具有明顯的季節(jié)特征，適于利用波浪能、太陽能、風(fēng)能資源和生物質(zhì)能，采取多能互補(bǔ)的形式發(fā)電、制淡水和冰。

2 發(fā)電系統(tǒng)組成

獨(dú)立電力系統(tǒng)由波浪能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)、備用電源柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、海水淡化裝置和電力控制及監(jiān)控系統(tǒng)組成。波浪能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)和生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)是4個(gè)獨(dú)立的發(fā)電單元，輸出電能給電力控制系統(tǒng)，經(jīng)逆變后提供給島上居民和海水淡化裝置用電[3]。獨(dú)立電力系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 獨(dú)立電力系統(tǒng)示意圖

2.1 波浪能發(fā)電系統(tǒng)

波浪能發(fā)電系統(tǒng)采用離岸浮力擺形式，離岸浮力擺裝置由擺板（波浪俘獲系統(tǒng)）、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)3部分組成。

圖4 擺板運(yùn)動(dòng)形式

擺板運(yùn)動(dòng)形式如圖4所示，擺軸位于擺板底部，擺板在波浪的作用下偏離平衡位置，此時(shí)擺板在浮力作用下向平衡位置恢復(fù)，同時(shí)擺板還受到重力和水的阻力的作用，從而使擺板繞擺軸前后擺動(dòng)[4-5]。

波浪能發(fā)電系統(tǒng)原理如圖5所示，將波浪的動(dòng)能通過擺板裝置轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，然后通過液壓系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最后電控系統(tǒng)將系統(tǒng)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為能夠供用戶使用的穩(wěn)定交流電。

2.2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)采用熱發(fā)電方式。其工作原理如圖6所示，利用聚光器將低密度的太陽能匯聚到焦斑處，使其生成高密度的能量，然后由工作流體將其轉(zhuǎn)化為熱能，再通過汽輪機(jī)/斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖5 波浪能發(fā)電系統(tǒng)工作原理示意圖

圖6 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

發(fā)電系統(tǒng)擬采用5臺(tái)1 kW的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，組成太陽能發(fā)電陣列，直接為居民用戶供電，同時(shí)還可以利用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱水為家庭提供生活熱水。

2.3 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)擬采用5臺(tái)30 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理是通過風(fēng)力帶動(dòng)螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能，再經(jīng)風(fēng)電控制器進(jìn)行交/直流轉(zhuǎn)換后，送入蓄電池儲(chǔ)存，最后經(jīng)過逆變器對(duì)用戶供電。

2.4 生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)擬采用2臺(tái)50 kW燃?xì)鉄釟鈾C(jī)構(gòu)成生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)。其工作原理如圖7所示，在海島上建一套生物厭氧處置裝置，將收集來的生活有機(jī)垃圾廢棄物進(jìn)行發(fā)酵處置，并將所產(chǎn)生的沼氣存儲(chǔ)，然后對(duì)沼氣進(jìn)行脫硫、過濾、除濕、增壓和穩(wěn)壓的處理，最后進(jìn)入燃?xì)鉄釟鈾C(jī)發(fā)電，熱氣機(jī)在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱水不僅可以用來供應(yīng)島上居民的生活，也可以用于厭氧工藝的加熱和保溫。

2.5 電力控制系統(tǒng)

圖7 生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

整個(gè)系統(tǒng)由能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)、能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)、能量消耗環(huán)節(jié)三部分組成。能量的產(chǎn)生環(huán)節(jié)：風(fēng)能、波浪能和生物質(zhì)能發(fā)電系統(tǒng)在能量合并與轉(zhuǎn)換時(shí)選用交流－直流－交流的方式。太陽能發(fā)出的電能可以直接接入家庭或者各種用電量較小的觀測(cè)站。

能量的存儲(chǔ)環(huán)節(jié)由蓄電池來承擔(dān)，引入蓄電池的主要作用就是為了盡量消除由于天氣等原因引起能量供應(yīng)和需求的不平衡，在整個(gè)系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的作用。

能量消耗環(huán)節(jié)就是各種用電負(fù)載，可分為直流負(fù)載和交流負(fù)載兩類，交流負(fù)載連入電路時(shí)需要逆變器。

2.6 監(jiān)控系統(tǒng)

總體監(jiān)控單元對(duì)系統(tǒng)中各發(fā)電單元的電壓、電流、功率、發(fā)電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)電站各部分工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)給出各部分狀態(tài)信息，以供電站管理人員參考。另外，監(jiān)控單元還具備調(diào)控功能，即實(shí)時(shí)對(duì)蓄電池性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)電池狀態(tài)，作出必要的保護(hù)動(dòng)作，如在蓄電池過放電和過充電時(shí)，需要切除部分負(fù)荷或者有選擇地暫停風(fēng)能或太陽能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。

3 結(jié)束語

嵊山島的可再生能源豐富，適于建設(shè)多能互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)，建成后的發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)島上的實(shí)際需要進(jìn)行并網(wǎng)，也可作為獨(dú)立電力系統(tǒng)對(duì)島上部分區(qū)域進(jìn)行供電，或用于海水淡化和制冰，也可作為斷電時(shí)的備用電源，在降低海島對(duì)大陸輸入能源的依賴度的同時(shí)，改善了島嶼居民的生產(chǎn)、生活條件，減輕了人類在島嶼上的生產(chǎn)和生活所帶來的負(fù)面環(huán)境影響，從而推進(jìn)海島環(huán)保型能源建設(shè)，調(diào)整海島能源結(jié)構(gòu)。

[1]任建莉，羅譽(yù)婭，陳俊杰，等.海洋波浪信息資源評(píng)估系統(tǒng)的波力發(fā)電應(yīng)用研究[J].可再生能源，2009,27(3)：93-97.

[2]任建莉，羅譽(yù)婭，鐘英杰，等.波力資源分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及波能發(fā)電應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,36(2)：186-191.

[3]熊焰，王海峰，崔琳，等.大管島多能互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].海洋技術(shù)，2008,27(4)：78-82.

[4]M E麥考密克.海洋波浪能轉(zhuǎn)換[M].北京：海洋出版社，1985.

[5]FOLLEY,M,WHITTAKER T J T,et al.The Design of Small Seabed-Mounted Bottom Hinged Wave Energy Converters[C]//7th European Wave and Tidal Energy Conference,Porto,2007.

General Design of Renewable Resources Power Generation System on Islands

ZHANG Zhong-hua1,XIA Zeng-yan1,LIU Jing-biao2,WANG Hai-feng1,HUANG Yong1
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.711 Research Institute,Shanghai 201203,China)

The Shengshan Island and the island’s needs for electric power were introduced.And then the composition and characteristics of the Shengshan Island renewable resources were analyzed in detail.It is suitable for the island to use the wave energy,solar,wind energy and biologic energy resources in the form of hybrid power generation system.The hybrid power generation system was applied to satisfy the demand of electricity and water supply on island.

Shengshan Island;hybrid energy;renewable resources;power generation;general design

TP274+.2

B

1003-2029（2012）04-0087-04

2012-03-14

海洋可再生能源專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(GHME2011GC01)

張中華(1981-),女,博士，工程師,主要從事結(jié)構(gòu)可靠性研究。Email:zzhrabbit@126.com